數(shù)電交通信號燈控制器設(shè)計

1、武漢理工大學(xué)交通信號燈控制設(shè)計課程設(shè)計說明書交通信號燈控制器設(shè)計1 方案設(shè)計意義及要求1.1 方案設(shè)計意義現(xiàn)代城市中，人口和汽車日益增長，市區(qū)交通也日益擁擠，人們的安全問題也日益重要。因此，紅綠交通信號燈成為交管部門管理交通的重要工具之一。有了交通燈人們的安全出行有了很大的保障。 自從交通燈誕生以來，其內(nèi)部的電路控制系統(tǒng)就不斷的被改進，設(shè)計方法也開始多種多樣，從而使交通燈顯得更加智能化。尤其是近幾年來，隨著電子與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，電子電路分析和設(shè)計方法有了很大的改進，電子設(shè)計自動化也已經(jīng)成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中不可缺少的工具和手段，這些為交通燈控制電路的設(shè)計提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。1.2 方案設(shè)計

2、要求運用模擬 電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)以及電路原理的相關(guān)知識設(shè)計出交通信號燈的控制電路，完成下列的要求：1. 假設(shè)一路口為東西南北走向。初始狀態(tài)0為東西紅燈，南北紅燈，2. 然后轉(zhuǎn)狀態(tài)1東西綠燈通車，南北紅燈。3. 過25s轉(zhuǎn)狀態(tài)2，東西綠燈滅，黃燈閃爍5次，南北仍紅燈。4. 再轉(zhuǎn)狀態(tài)3，南北綠燈通車，東西紅燈亮。5. 過20s轉(zhuǎn)狀態(tài)4，南北綠燈滅，閃5次黃燈，東西仍是紅燈。6最后循環(huán)至狀態(tài)1，如此不斷周期循環(huán)下去。 2 方案設(shè)計內(nèi)容21 方案設(shè)計思路方案設(shè)計要求南北方向和東西方向的交通信號燈的周期不一樣，南北方向是紅燈30秒、綠燈25秒、黃燈閃爍3秒。東西方向是紅燈25秒、綠燈20秒、黃燈閃爍

3、5秒。但是南北方向和東西方向是相對稱的，其交通信號燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：狀態(tài)2南北紅燈亮 5秒東西黃燈閃 5秒狀態(tài)1南北紅燈亮25秒東西綠燈亮20秒狀態(tài)4南北黃燈閃 5秒東西綠燈亮 5秒狀態(tài)3南北綠燈亮20秒東西綠燈亮20秒圖2-1 交通指示燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 2.2 方案設(shè)計2.2.1 方案一（個人方案）設(shè)計原理交通信號燈控制原理圖如下圖所示：計數(shù)器實現(xiàn)五十五進制555定時 器計數(shù)器實現(xiàn)五進制移位寄存器南北方向信號燈東西方向信號燈 圖2-2 交通信號燈控制原理圖 根據(jù)設(shè)計方案的要求，我們可以依據(jù)南北方向和東西方向交通信號燈的亮滅情況畫出以下的時序狀態(tài)圖： 圖2-3 交通信號燈狀態(tài)時序圖 首先用NE5

4、55定時器產(chǎn)生1Hz脈沖作為時鐘脈沖信號源，用74LS161構(gòu)成五進制計數(shù)器，產(chǎn)生五進制數(shù)，并且每五秒自動清零，同時利用清零信號給74LS164移位寄存器一個脈沖信號，使移位寄存器每5秒發(fā)生一次移位，然后通過74LS164移位寄存器分別實現(xiàn)5秒，20秒，25秒和30秒的循環(huán)控制，30秒后禁止信號輸入移位寄存器，再過25秒信號又可以重新輸入移位寄存器，這樣就可以分別使東西方向和南北方向?qū)?yīng)的紅燈和綠燈亮和滅，最后用黃燈信號和脈沖信號源進行與邏輯運算，使得黃燈能夠每秒閃爍一次，閃爍時間為5秒。由于南北方向和東西方向的紅燈和綠燈的亮滅的時間不相等，南北方向紅燈亮30秒，綠燈亮25秒，黃燈閃爍5秒；東

5、西方向紅燈亮25秒，綠燈亮20秒，黃燈閃爍5秒，所以南北方向周期為30秒，東西方向周期為25秒，總周期為55秒。因此利用一片74LS161和構(gòu)成五進制計數(shù)器的74LS161級聯(lián)起來構(gòu)成一個55進制的計數(shù)器，再利用其清零端接到74LS164移位寄存器的清零端，實現(xiàn)移位寄存器的每55秒清一次零，從而達到對南北方向和東西方向周期不相等的控制，達到方案設(shè)計的要求?？傠娐穲D見附錄2.2.2 方案二（小組方案）設(shè)計原理 人機交互界面單片機微處理單片機微處理人行道信號燈緊急情況 控制主干道信號燈圖2-4 方案二電路原理框圖 通過單片機寫入符合題意的程序，之后小組的成員還一起討論了，還增加了紅燈時長可編輯、緊

6、急情況的控制和人行道紅路燈等附加功能，再接上一定的外圍電路，通過程序控制I/O口的輸出狀態(tài)控制所接外圍電路的狀態(tài)來實現(xiàn)交通信號燈控制。總電路圖見附錄2.3 方案比較 方案一是利用555定時器來產(chǎn)生1Hz的脈沖，利用數(shù)據(jù)選擇器的選擇功能和移位寄存器的移位功能來實現(xiàn)對南北方向和東西方向不同周期的信號燈的控制，電路的設(shè)計思維容易理解，但是所用到的元器件較多較復(fù)雜，電路的接線相對要復(fù)雜。方案二是利用單片機處理器，通過軟件編程來實現(xiàn)設(shè)計所要求的功能，簡單明了，便于控制，并且功能上的擴展性也很強，但是相對于方案一需要更高的要求，要對匯編語言及單片機的工作原理有較深的理解。3 單元電路原理設(shè)計3.1 秒脈沖

7、信號發(fā)生器設(shè)計圖3-1 秒脈沖電路原理圖時鐘信號產(chǎn)生電路主要由NE555定時器、電容和電阻組成震蕩器，產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號，送到狀態(tài)產(chǎn)生電路，狀態(tài)產(chǎn)生電路根據(jù)需要產(chǎn)生一定的“0” 、“1 ”信號，電路圖如下圖所示：所以時間周期就是：T=C=1s經(jīng)計算可得R1=46k R2=50k 產(chǎn)生的秒脈沖通過3端口輸出 NE555管腳圖如圖： 圖3-2 NE555管腳圖3.2 五進制計數(shù)器設(shè)計要實現(xiàn)五進制計數(shù)，用74LS161四位二進制同步加法計數(shù)器，該計數(shù)器能同步并行預(yù)置數(shù)據(jù)，具有清零置數(shù)，計數(shù)和保持功能，具有進位輸出端，可以串接計數(shù)器使用。它的管腳排列如圖2-3所示：圖3-4 74LS161管腳圖 管腳

8、圖介紹：時鐘CP和四個數(shù)據(jù)輸入端P0P3清零/MR使能CEP，CET置數(shù)PE數(shù)據(jù)輸出端Q0Q3以及進位輸出TC. (TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET) 下圖為74LS161的功能表：表3-1 74LS161功能表 從74LS161功能表功能表中可以知道，當清零端CR=“0”，計數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為異步復(fù)位功能。當CR=“1”且LD=“0”時，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當CR=LD=EP=ET=“

9、1”、CP脈沖上升沿作用后，計數(shù)器加1。74LS161還有一個進位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理應(yīng)用計數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器。所以可以利用一片74LS161實現(xiàn)五進制加計數(shù)，將CR=LD=EP=ET=“1”，D3,D2,D1,D0接地，二進制的五為（0101），故將Q2,Q0連到同一與非門后接CR清零端，每五個脈沖清一次零，實現(xiàn)五進制加計數(shù)器，同時利用清零信號，每五秒給74LS164移位寄存器一個脈沖信號。五進制電路連接圖如下圖所示： 圖3-5 五進制計數(shù)器電

10、路圖3.3 五十五進制計數(shù)器設(shè)計 因為南北方向和東西方向交通信號燈的周期不一樣，南北方向是30秒，東西方向是25秒，如果要用一片移位寄存器實現(xiàn)的話，就必須對移位寄存器定時清零，不然就會出現(xiàn)5秒的空白時間。但是總的周期是不變的，為55秒，所以利用兩片74LS161構(gòu)成五十五進制計數(shù)器，前一片接成五進制，后一片接成十一進制的，這樣就使前一片的74LS161參與了兩個電路功能，達到使用減少的元件實現(xiàn)較多功能的目的。同時利用第二片74LS161的清零信號接到后面移位寄存器的清零信號，從而實現(xiàn)每55秒清一次零，這樣就可以解決南北方向和東西方向周期不相等的問題了。 五十五進制電路連接圖如圖所示： 圖3-6

11、 五十五進制計數(shù)器電路圖3.4 移位寄存器74LS164為8位移位寄存器，當清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QAQH）均為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。當A、B 任意一個為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下Q0 為低電平。當A、B 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CLOCK 上升沿作用下決定Q0 的狀態(tài)。引出端符號CLOCK 時鐘輸入端 CLEAR 同步清除輸入端（低電平有效） A，B 串行數(shù)據(jù)輸入端 QAQH 輸出端 74LS164封裝圖如下圖所示：圖3-7 74LS164封裝圖 74LS164邏輯圖如下圖所示： 圖3-8 74

12、LS164邏輯圖 74LS164真值表如下圖所示：表3-2 74LS164真值表 74LS164時序圖如下圖所示： 圖3-9 74LS164時序圖采用74LS164八位移位寄存器可以實現(xiàn)對南北方向紅燈30秒、綠燈25秒、黃燈5秒和東西方向紅燈25秒、綠燈20秒、黃燈5秒的控制。利用接成五進制的74LS161的清零信號作為74LS164的觸發(fā)信號，使移位寄存器每5秒移一次位，并且利用11腳來控制移位寄存器的串行信號的輸入，即每六個脈沖到來后就禁止信號的輸入，再利用接成五十五進制的74LS161的清零信號作為74LS164的清零信號，每55秒對移位寄存器清一次零，從而實現(xiàn)總周期為55秒的功能。移位

13、寄存器電路連接圖如下圖所示： 圖3-10 移位寄存器電路連接圖 3.5 信號燈控制3.5.1 紅燈信號控制南北方向的紅燈亮燈時間為30秒，所以用Qf取反后與其相連；東西方向的紅燈亮燈時間為25秒，所以將Qe與Qd相與后與其相連。3.5.2 綠燈信號控制 南北方向的綠燈亮燈時間為25秒，所以用Qd和Qf相與后與其相連；東西方向的綠燈亮燈時間為20秒，所以將Qe和Qf分別取反后再相與獲得。 3.5.3 黃燈信號控制黃燈信號的獲得比綠燈、紅燈要稍復(fù)雜，南北方向的黃燈信號通過Qd和Qe相與獲得，要實現(xiàn)其每秒閃爍一次，用其再和1Hz時鐘脈沖相與即可。東西方向的黃燈信號則通過Qe與Qf取非之后相與，再和1

14、Hz時鐘脈沖相與獲得。具體信號燈控制電路連接圖如圖所示：圖3-11 交通燈信號控制電路 4調(diào)試及檢測4.1 制作按照總的電路圖，規(guī)劃電路總布局，以使電路連接簡單、明了。首先一個模塊一個模塊連接，連接好一個模塊，就檢測一個，包括芯片，電路板，及導(dǎo)線是否接正確且接穩(wěn)等，以防整體檢測時不必要的麻煩。4.2 調(diào)試過程整體連接完畢，進行調(diào)試，看是否和仿真結(jié)果相同。如有出入，仔細檢測電路，查出問題所在。這樣不斷調(diào)試，直到達到預(yù)期結(jié)果。首先對時鐘信號脈沖源進行調(diào)試，看是否產(chǎn)生1Hz時鐘信號，如果不能產(chǎn)生脈沖，檢測555定時器的引腳是否接對，電阻和電容是否接正確，阻值和電容值是否正確，如果不是這些問題，就通過

15、換芯片，看是否是芯片的問題，如果芯片也沒問題，就再檢查設(shè)計原理是不是出了問題。 再對五進制計數(shù)器和五十五進制計數(shù)器進行測試，看是否為五進制計數(shù)和五十五進制計數(shù)，然后測試移位寄存器的工作是否正常，最后檢驗信號燈是否達到預(yù)期目標，若是沒有按預(yù)期的工作，檢查邏輯門是否正常工作，導(dǎo)線是否連接到位。進過不斷調(diào)試后，交通燈控制電路達到了預(yù)期的全部功能。4.3 調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題及解決調(diào)試過程中難免發(fā)現(xiàn)一些問題：（1） NE555定時器沒有產(chǎn)生1Hz的秒脈沖，而始終輸出為高電平，經(jīng)過仔細檢查后，發(fā)現(xiàn)原來是NE555的2腳和6腳沒有接在一起導(dǎo)致無法正常工作。（2） 74LS161五十五進制計數(shù)器不能正常工作

16、，后來經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)是沒有將清零信號返回到MR端所致（3） 對于小組方案，在設(shè)計過程中，也出現(xiàn)了一些問題使得單片機異常工作，但都是常見的小問題，如：代碼中雙引號的使用并不是在英語書寫狀態(tài)下，輸入字母出錯等，在調(diào)試時出現(xiàn)異常，不過這些都是經(jīng)常性錯誤，經(jīng)過調(diào)試修改都一一解決，程序順利完成，并實現(xiàn)了其功能。 調(diào)試過程中雖然發(fā)現(xiàn)了很多問題，不過經(jīng)過檢查一一解決。5 仿真操作步驟及使用說明5.1 仿真操作步驟5.1.1 秒脈沖源的仿真按原理圖在protues中畫好1Hz脈沖源的電路圖，在端口3（即脈沖輸出端口）接上一個示波器，開始仿真，調(diào)節(jié)示波器觀察波形及周期是否符合設(shè)計要求，不符合繼續(xù)調(diào)試直到符合，符合

17、后進行下一步仿真。5.1.2 五進制計數(shù)器的仿真按原理圖在protues中用74LS161接好五進制的電路圖，接庫文件中的1Hz脈沖源開始仿真，觀察74LS161的輸出端口高低電平變化是否符合每秒加1，每5秒鐘循環(huán)一次，不符合進一步調(diào)試直到符合，符合后進行下一步仿真。5.1.3 五十五進制計數(shù)器的仿真按原理圖在protues中用74LS161接好五十五進制的電路圖，接庫文件中的1Hz脈沖源開始仿真，觀察第二片74LS161的輸出端口高低電平變化是否符合每5秒加1，每55秒鐘循環(huán)一次，不符合進一步調(diào)試直到符合，符合后進行下一步仿真。5.1.4 移位寄存器的仿真按原理圖在protues中用74LS

18、164接好電路圖，用第一片74LS161的清零信號作為移位寄存器的脈沖輸入信號，用第二片74LS161的清零信號作為移位寄存器的清零信號，再接入1Hz脈沖源開始仿真，接入示波器觀察波形，觀察是否是每5秒移位一次、每55秒清一次零。若不符合則進一步調(diào)試直到符合，符合后再進行下一步仿真。5.1.5 設(shè)計電路整體仿真 在原有電路的基礎(chǔ)上按照電路原理圖連接上南北方向和東西方向的交通信號燈，之后開始仿真，看是否符合設(shè)計方案的要求，若不符合則進一步調(diào)試直到成功為止。5.2 使用說明 打開仿真程序后，點擊仿真開始按鈕開始仿真，觀察南北方向和東西方向的交通信號燈的亮滅情況是否符合設(shè)計方案的要求。 結(jié)束語 通過

19、這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。此次課程設(shè)計，學(xué)到了很多課內(nèi)學(xué)不到的東西，比如獨立思考解決問題，出現(xiàn)差錯的隨機應(yīng)變，和與人合作共同提高，都受益非淺。總的說來有以下幾點心得體會：1、通過這次課程設(shè)計，加強了我們動手、思考和解決問題的能力。在整個設(shè)計過程中，我

20、們通過這個方案包括設(shè)計了一套電路原理和芯片上的選擇，并實現(xiàn)的電路的仿真。這個方案總共使用了74LS161，74LS164，74LS04，74LS08，74LS11，NE555定時器。2、在設(shè)計過程中，經(jīng)常會遇到這樣那樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以行得通，但實際接上電路，總是實現(xiàn)不了，因此耗費在這上面的時間用去很多。3、我認為做課程設(shè)計同時也是對課本知識的鞏固和加強，由于課本上的知識太多，平時課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運用各個元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認識。4、平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設(shè)計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時看課本，這次看了，下次就忘了，通過動手實踐讓我們對各個元件映象深刻。認識來源于實踐，實踐是認識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標準。所以這個期末測試之后的課程設(shè)計對我們的作用是非常大的。5、在實現(xiàn)部分電路功能時，要做到模塊化操作，做好一個模塊再進行下一個模塊的連接，這樣能提高很高的效率